发动机曲轴的有限元分析

发动机曲轴是柴油机中重要的运动部件，其性能直接关联到柴油机的整体可靠性与寿命。曲轴在运行中会受到复杂的动态载荷作用，包括气缸内的气体压力、往复运动的惯性力以及旋转质量产生的惯性力等，这些力会造成曲轴内部产生交变的弯曲应力和扭转应力。特别是在曲轴的过渡圆角等应力集中区域，由于应力的集中，会更易发生弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏。在发动机的强化过程中，曲轴的工作条件变得更加严苛，因此，准确地对曲轴进行强度校核和疲劳寿命评估就显得尤为重要。 传统的基于经典力学的分析方法在处理曲轴这样的复杂结构时存在局限性，因为曲轴的结构形状复杂，且其受力状态在周期性变化。有限元分析（FEA）则是一种在计算机技术支持下发展起来的数值计算方法，它能够有效地模拟复杂几何形状和载荷变化条件下的应力和变形状态。在本文中，王娟和张涛华通过Pro/ENGINEER软件建立了某4缸柴油机曲轴的三维模型，并使用ANSYS Workbench有限元分析软件对曲轴进行了三维有限元分析。 有限元分析方法在进行曲轴强度校核和疲劳寿命评估中起着至关重要的作用。在有限元模型的建立过程中，网格划分的质量将直接影响到分析结果的准确性和精度。ANSYS Workbench提供了多种网格划分工具，包括尺寸控制、局部细化、面映射网格划分和体扫掠划分等。本文中特别提到了Hex-Dominant网格划分方法，这是一种生成的表面为六面体单元、内部包含四面体单元的混合网格类型，它能够获得较好的计算结果。为了进一步提高网格的质量，还运用了虚拓扑功能，系统会自动生成VirtualCell以合并小的缝，避免因小的缝而导致网格划分失败的情况。 文章详细描述了曲轴几何模型的建立过程，为了使边界条件接近实际情况，选择了整体曲轴模型进行分析。在Pro/ENGINEER软件中建立的曲轴模型忽略了一些细节，如小的倒角、圆角和油孔，但保留了对曲轴受力有显著影响的关键结构细节，例如主轴颈和连杆轴颈过渡圆角区域。曲轴模型的建立不仅是为了更好地理解其在交变载荷作用下的应力、变形和分布情况，而且是为了准确地评估其疲劳强度和估算疲劳寿命，这对于曲轴的优化和改进设计提供了重要的理论依据。 最终，通过对曲轴的有限元分析，本文得出的结论能够在设计阶段指导柴油机曲轴的改进设计，以期达到提高整机工作性能、降低故障率、减少经济损失和避免人员伤亡的目标。这项研究对于车用柴油机曲轴的设计和可靠性分析具有重要的工程应用价值。